Bonn – Nachdem es eher schwierig ist, die Himmelskörper unseres Sonnensystems auf eine Waage zu legen, müssen sich Astronomen anderen Methoden zuwenden, um ihre exakte Masse zu bestimmen. Eine Möglichkeit ist beispielsweise, sich kosmische "Uhren", beispielsweise Pulsare, dafür zunutze zu machen. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, mit einem solchen Verfahren die Masse des Zwergplaneten Ceres und anderer Asteroiden exakter als je zuvor zu bestimmen.

Pulsare sind äußerst dichte, sehr schnell rotierende Sternenreste von geringem Durchmesser, die extrem regelmäßige "Pulse" im Radiobereich aussenden. Diese Technik, Pulsarankunftszeiten zur Massenbestimmung von Planeten zu nutzen, wurde erstmalig im Jahr 2010 von einem Forscherteam unter der Leitung von David Champion vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) angewandt. Sie beruht auf der extrem präzisen Zeitreihenbestimmung einer großen Anzahl von Millisekundenpulsaren.

Kosmische Leuchttürme

Die Astronomen zeichnen bei dieser Methode die gebündelte Radiostrahlung dieser Objekte auf, die als periodische Pulse ähnlich den Lichtsignalen von Leuchttürmen mit Radioteleskopen erfasst werden. Im Gegensatz zur Lichtquelle in Leuchttürmen rotieren diese Himmelsobjekte jedoch mit enormer Geschwindigkeit, mit Umlaufzeiten bis zu nur wenigen Millisekunden. Sie bilden aufgrund ihrer gewaltigen Schwungmasse die ganggenauesten Uhren unter den Himmelskörpern im Universum. Beobachtungen mit den größten Radioteleskopen der Erde sind erforderlich, um die schwachen Signale von diesen Objekten zu erfassen.

"Mit ausgeklügelten Modellen für ihre Rotation können wir die Ankunftszeit der Pulse von Millisekundenpulsaren auf eine Genauigkeit von nur einigen hundert Nanosekunden über Jahrzehnte hinweg bestimmen. Das ermöglicht es uns, sie als hochgenaue Uhren für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen zu nutzen", sagt der Erstautor Nicolas Caballero diese Untersuchung im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPIfR vorgenommen hat. Die Bahnbewegung der Erde um die Sonne erschwert die direkte Verwendung der aufgezeichneten Ankunftszeiten der Pulse am Radioteleskop. Die Astronomen umgehen dieses Problem, indem sie die Ankunftszeiten auf ein gemeinsames Bezugssystem umrechnen, das auf dem Massenzentrum des gesamten Sonnensystems, dem sogenannten Baryzentrum, basiert.

Falschen Werten auf der Spur

"Wir sind dabei auf Ergebnisse angewiesen, die wir von unseren Kollegen aus der planetaren Astronomie erhalten. Diese berechnen aus einer Fülle von Daten, unter Einbeziehung der Vorbeiflüge von Raumfahrzeugen, Ephemeriden für unser Sonnensystem, welche die Umlaufbahnen von Planeten, Monden und Asteroiden beschreiben", sagt Caballero. Wenn in diese Ephemeridenberechnung ein falscher Wert für die Masse eines Körpers einfließt, dann verschiebt sich die Position des Baryzentrums, was umgekehrt betrachtet periodische Verzögerungen oder Beschleunigungen in der erwarteten Ankunftszeit der Pulse von den Pulsaren erzeugt. Vergleicht man diese Erwartungen mit den tatsächlichen Pulsarmessungen, kann man die korrekten Massen der Körper bestimmen.

Unter Verwendung der aktuellsten Beobachtungsdaten des "International Pulsar Timing Array"-Konsortiums (IPTA) ist es den Pulsar-Astronomen gelungen, solche Massenabweichungen um eine Größenordnung genauer bestimmen zu können als bei der vorhergehenden Untersuchung aus dem Jahr 2010. Bezogen auf die Entfernung des Asteroidengürtels zwischen Mars und Jupiter ergeben die Beobachtungsdaten eine Empfindlichkeit von nur noch 0.0003% der Erdmasse.

Um eine Größenordnung genauer

Der Asteroid Ceres, der erst kürzlich als Zwergplanet eingestuft wurde, ist das massereichste Objekt im Asteroidengürtel. Aus der Zeitreihenanalyse der Pulsardaten ergab sich ein Wert von 4,4 × 10^-10 Sonnenmassen für Ceres. Das entspricht 1,3 Prozent der Masse des Erdmonds. Diese Genauigkeit liegt eine Größenordnung unter den bisher besten Schätzungen. Die vorliegende Veröffentlichung enthält zudem noch Massenbestimmungen für vier weitere Asteroiden.

"Wir sind jetzt in der Lage, die Massen von Ceres und weiteren massereichen Asteroiden abzuleiten", sagt David Champion, Koautor der in den "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" veröffentlichten Studie. "Das zeigt die Verbesserungen unserer Beobachtungen bezogen auf die zwei hier relevanten Aspekte der Präzision und der Empfindlichkeit." (red, 24.10.2018)